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2002-03-14Datenbussysteme im Kraftfahrzeug1 Im Automobilbereich erfordert die Entwicklung von Steuergeräten mit systemübergreifenden Funktionen einen regen.

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1 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug1 Im Automobilbereich erfordert die Entwicklung von Steuergeräten mit systemübergreifenden Funktionen einen regen Informationsaustausch zwischen den Steuergeräten. Busverkehr im Kraftfahrzeug

2 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug2 Konventionelle Verkabelung Getriebe- Steuerung Motronic E-GasABS/ASR/ESP Die konventionelle Verbindung der Steuergeräte erfordert für jede Dateninformation eine eigene Datenleitung.

3 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug3 -Immer mehr Leitungen mit entsprechend vielen Steuergerätepins und Steckverbindungen sind erforderlich. -System- und Funktionserweiterungen sind sehr aufwändig. -Die Fehlerquote ist vergleichsweise hoch. -Eine Zentraldiagnose aller Steuergeräte und Komponenten ist schwierig. Konventionelle Verkabelung Nachteile:

4 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug4 Verbindung der Steuergeräte über Datenbus CAN E-GasMotronicGS ABS ASR/ESP Eine Datenleitung überträgt codiert alle Signale der Steuergeräte.

5 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug5 Verbindung der Steuergeräte über Datenbus Vorteile: -Höhere Zuverlässigkeit -Einsparung einer Vielzahl von Leitungen und Steckverbindungen -Sensoren mehrfach nutzbar -Neue Funktionen möglich -Systemkonfiguration flexibler -Geringere Systemkosten

6 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug6 Das Multiplex-Datenbussystem Eine erste Busversion in Kraftfahrzeugen war der Kabelbaum- Multiplexer, den verschiedene Hersteller einsetzten.

7 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug7 Das Multiplex-Datenbussystem Hier werden von einem Sender (Multiplexer) Daten (Schalterstellungen) seriell über eine Leitung zu einem Empfänger (Demultiplexer) übertragen und dort die Ausgänge (z. B. für Relaisansteuerungen) entsprechend geschaltet.

8 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug8 Das Multiplex-Datenbussystem Die serielle Übertragung der Daten kann man sich wie Morsen (oder Rauchzeichen) vorstellen: Kurze und lange Signale werden über die Datenleitung geschickt. Dabei stellt jedes Signal eine Schalterstellung dar. Lang bedeutet dabei z. B. Schalter aus, kurz bedeutet Schalter an.

9 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug9 Das Multiplex-Datenbussystem Ein Oszilloskopbild des Signals ist hier zu sehen (kein Schalter betätigt, also alle 8 Informationsdoppelbits high): Startbits low (immer 2 Bitlängen hier je ca. 0,16 ms entspr Bit/s) Informationsbits für Schalter 1 (beide high, also langes Signal) Pause zwischen den Informationsbits (immer 2 Bitlängen)

10 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug10 Das Multiplex-Datenbussystem Hier sind Schalter 4 und 7 betätigt, daher ist dort jeweils das erste Bit high, das zweite low, so dass ein kurzes Signal entsteht: Informationsbits für Schalter 4 und 7 (jeweils high + low, also kurzes Signal) Obwohl als reine Informationslänge 8 Bits ausreichen würden, werden zu besseren Synchronisation nach dem Startdoppelbit pro Informationseinheit (Schalter) 2 Bits + 2 Pausebits = 4 Bits übertragen. Der Demultiplexer kann dann gewissermaßen besser mitzählen Das sind folglich insgesamt 2 + 8*4 Bitlängen pro Informationsblock. (hier 34 * ca. 0,16 ms, also etwa 5 ms).

11 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug11 Das Multiplex-Datenbussystem Zwischen jedem Informationsblock sind bei diesem System etwa 9 ms Pause, so dass die Schaltsignale ca. alle 14 ms übertragen werden. Informationsblöcke Pause Auch dies dient der besseren Synchronisation. Die Minus-Flanke des Startbits wird eindeutig einem neuen Informationsblock zugeordnet, das Zählen der Plus-Flanken für die kurzen und langen Informationsbits kann beginnen.

12 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug12 Das Multiplex-Datenbussystem Übungsphase: -Computer – Demoprogramm -Schulungstand mit Leybold-Interface und Fluke-Oszilloskop -Schaltung mit 8 Bit Baustein und 16 Bit BMW Fensterheberschalter -Signale Datenleitung und Ausgang (Leybold) Kaffeepause Übungsphase: -Computer – Demoprogramm -Schulungstand mit Leybold-Interface und Fluke-Oszilloskop -Schaltung mit 8 Bit Baustein und 16 Bit BMW Fensterheberschalter -Signale Datenleitung und Ausgang (Leybold) Kaffeepause

13 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug13 Das Multiplex-Datenbussystem Nachteile: -Datenübertragung nur in eine Richtung möglich -Keine weiteren Steuergeräte anschließbar -Datenmenge auf einige Bits begrenzt -Nur für binäre Signale sinnvoll -Übertragungsrate langsam

14 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug14 Der CAN Datenbus Die Lösung ist der CAN – Datenbus! C ontroller A rea N etwork

15 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug15 Der CAN Datenbus Vorteile: -Datenaustausch in alle Richtungen zwischen mehreren Steuergeräten -Schon beim Standard-CAN 64 Datenbits pro Datenpaket möglich -Für Erweiterungen oft nur Software Änderungen erforderlich -Durch viele Absicherungen im Datenprotokoll geringe Fehlerquote -Mehrfachnutzung von Sensorsignalen möglich -Sehr schnelle Datenübertragung -Weltweite Normung, daher Datenaustausch auch zwischen Steuergeräten verschiedener Hersteller möglich

16 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug16 Der CAN Datenbus Historie: Die Grundzüge des CAN-Datenprotokolls wurden 1981 von den Firmen Bosch und Intel definiert erfolgte die erste Normung zur ISO standen die ersten Transceiver-Bausteine zur Verfügung 1992 wurde der CAN Verein gegründet dem u. a. folgende Firmen angehören:

17 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug17 SIEMENS Die Global Player: Der CAN Datenbus

18 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug18 Anwendungsbereiche: - Kraftfahrzeugtechnik - Landmaschinentechnik - Medizintechnik - Werkzeugmaschinen (CNC, Robotik) - Gebäudeleittechnik - Textilmaschinen - Fern- und Nahverkehrstechnik - Aufzüge, Rolltreppen Der CAN Datenbus

19 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug19 Der CAN Datenbus Entwicklungstendenz der Can-Bus Technologie (Bis Mitte 2000 hatte allein Philips 100 Millionen CAN-Transceiver hergestellt)

20 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug20 Der CAN Datenbus Topologie Teil 1: Buskonfiguration: Nur eine logische Busleitung, aber in der Praxis verdrillte Zweidrahtleitung. Geometrische Ausdehnung: Maximal 40 m bei 1 MBit/s 1000 m bei 20 kBit/s Anzahl der Knoten pro System: 32 Knoten Standard 64 bis Spezielle Leitungstreiber Übertragungsrate: <5 kBit/s bis 1 MBit/s programmierbar Datenkapazität: 0 bis 8 Bytes/Botschaft

21 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug21 Der CAN Datenbus Topologie Teil 2: Botschaftsformate: Standardformat (11 Bit Identifier) oder erweitertes Format (29 Bit Identifier) Botschaftslänge:Maximal 130 Bits (Standardformat) oder 150 Bits (erweitertes Format) Maximale System-Erholzeit nach Störungen:Typisch 17 bis 23 Bit-Zeiten (in Sonderfällen bis zu 29 Bit-Zeiten)

22 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug22 Der CAN Datenbus Spezifikation nach SAE (Society of Automotive Engineers) : Klasse A Anwendungen: Kommunikation im Chassis- Elektronik Bereich weniger intelligente Knoten (Schalter, Schließer, Sitz-, Spiegelverstellung und Leuchten) -> Botschaften sind sehr kurz, Bitrate < 10 kBit/s Klasse B Anwendungen: höherwertige Informationen als bei Klasse A (Amaturenbrett, Klimaregelung)-> Bitrate 40 kBit/s Klasse C Anwendungen: Echtzeitkritischer Informationstransfer, Zykluszeit 1-10 ms (Motor- und Getriebesteuerung, Stabilitätskontrolle usw.) Bitrate kBit/s Klasse D Anwendungen: recht lange Datenblöcke einige 100 Byte bis einige kByte ( Radio- und CD-Player, Telefon, Navigationshilfen, usw.) Bitrate 1-10 MByte/s

23 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug23 Der CAN Datenbus Beispiel für Spezifikation nach SAE (Daimler Benz W203):

24 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug24 Der CAN Datenbus Spezifikation nach ISO (Intern. Standardisation Organisation) : Low-Speed- Kommunikationsbereich: Bitrate unterhalb 125 kBit/s High-Speed- Kommunikationsbereich: Bitrate oberhalb von 125 kBit/s

25 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug25 Der CAN Datenbus Busaufbau: Jede Station (Netzwerkknoten/Steuergerät) verfügt über einen sogenannten Transceiver = Transmitter + Receiver (Sender und gleichzeitig Empfänger). Verbunden sind sie über verdrillte (Twisted Pair) Kabel mit Abschlusswiderständen an den Busenden.

26 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug26 Der CAN Datenbus Datenprotokoll: Originalaufnahme vom Auswertprogramm des CAN-Schulungsstandes (oben CAN-high unten CAN-low)

27 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug27 Der CAN Datenbus Oszilloskopbild Low-Speed CAN-Bus:

28 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug28 Der CAN Datenbus Bitauszählung:

29 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug29 Der CAN Datenbus Oszilloskopbild High-Speed CAN-Bus VW Lupo TDI (3l):

30 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug30 Der CAN Datenbus Die einzelnen Bitblöcke: Startbit: (Start of Frame - SOF) 1 Bit Wie beim Multiplexer geht nach einer Pause in der CAN-low Leitung der Signalpegel auf Null – das Senden eines Datenblockes beginnt. Statusfeld: (Identifier) 11 Bit bei Standard (Basic) 29 Bit beim erweiterten (extended) CAN Hier wird die Wichtigkeit des Signals festgelegt, es findet die sogenannte Arbitrierung statt, d.h. das Festlegen, welches der Steuergerätesignale Vorrang beim Senden hat, wenn mehrere Steuergeräte Startbits gesendet haben.

31 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug31 Der CAN Datenbus Zur Arbitrierung: In der CAN-low Leitung ist das niedrigere Bit dominant, d. h. Station S3 hat gewonnen und darf weitersenden. Arbitrationsfeld Daten Station S1 Station S2 Station S3 Bus- Leitung Stop Senden Synchronisation SOF

32 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug32 Der CAN Datenbus Die einzelnen Bitblöcke: Anforderungsbit: (Remote Transmission Request - RTR) 1 Bit Gehört noch zum Arbitrierungsfeld, aber nicht mehr zum Identifier. Es hat die Aufgabe, Informationen von anderen Steuergeräten anzufordern, wenn es nicht gesetzt ist. Kontrollfeld: (Data Length Control – DLC) 6 Bit Die ersten beiden Bits sind (angeblich) reserviert für extended CAN, nur die letzten 4 Bit beinhalten die Längeninformation, d. h. die Zahl der folgenden 8-Bit Datensegmente.

33 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug33 Der CAN Datenbus Die einzelnen Bitblöcke: Datenfeld: (Data) Je 8 Bit (max. 8 Blöcke=Bytes basic / max. 256 Blöcke=Bytes full) Hier kommen die eigentlichen Daten in Segmenten zu je 8 Bit (=1 Byte) – die Informationen über Schalterstellungen, Sensorsignale usw. Sicherungsfeld: (Check Receive Control -CRC) 16 Bit Aus den gesendeten Datenblöcken wird eine Prüfsumme gebildet und gleichfalls gesendet, damit ein Empfänger sie mit der Prüfsumme der tatsächlich empfangenen Daten vergleichen und eventuelle Übertragungsfehler erkennen kann.

34 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug34 Der CAN Datenbus Die einzelnen Bitblöcke: Bestätigungsfeld: (Acknowledge Field - ACK) 2 Bit Hier bestätigt der Empfänger dem Sender den korrekten Empfang der Daten, gewissermaßen ein Quittungsfeld. Endefeld: (End of Frame - ) 7 Bit Die Länge kann variieren, da hier weitere Fehlerprotokolle ausgetauscht werden können. Verschiedene Mechanismen können auch mitten in der Übertragung der Daten Übertragungsfehler signalisieren.

35 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug35 Der CAN Datenbus Die einzelnen Bitblöcke: Bitstuffing: Je 1 Bit Damit sich der Empfänger nicht verzählt (waren das jetzt 5 oder 6 Bits?) wird nach 5 gleichen Bits grundsätzlich ein gegenpoliges Bit eingestreut, damit der Empfänger wieder eine Flanke zum Zählen bekommt. Der Empfänger filtert diese Bits wieder heraus (Nach dem Motto: Kommen 5 gleiche Bits hintereinander, ignoriere ich grundsätzlich das folgende Bit).

36 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug36 Das Multiplex-Datenbussystem Übungsphase: -Computer – Auswertprogramm -Schulungstand mit Fluke-Oszilloskop -Lupo mit High-Speed CAN-Bus und Fluke Anregungen, Kritik, CD, Ausklang Übungsphase: -Computer – Auswertprogramm -Schulungstand mit Fluke-Oszilloskop -Lupo mit High-Speed CAN-Bus und Fluke Anregungen, Kritik, CD, Ausklang


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